考虑人类修复作用的河流健康评价

王家彪，雷晓辉

（中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038）

考虑人类修复作用的河流健康评价

王家彪，雷晓辉

（中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038）

河流修复是人类保护河流健康的重要措施，其可以改善河流水文、生态等各方面特征属性，消除或减轻人类干扰，从而维持和促进河流健康发展。为了量化人类修复作用及其对河流健康的影响，以期为河流健康评价和河流修复提供新的理论和技术支持，本文将人类对于河流的修复作用概化为一项新评价指标，采用模糊集对分析方法对赣江南昌段河流有无人类修复作用下的健康状况进行对比评价。计算表明，虽然在有无人类修复作用下其健康状态评价结果都为“良”，但考虑修复作用时河流健康评价值有一定提高，其健康水平更接近于“优”。

河流健康评价；人类修复作用；指标；权重；模糊集对

1 研究背景

近几十年来，人类对于河流健康的认识越来越完善［1-3］，对于河流的保护和修复投入也越来越大［4］。20世纪或更早以前人类对于河流的保护与修复活动大多缺少计划和理论指导［5］，但随着2000年欧盟《水框架指令》的通过，一系列改善河流水质和水文情势的修复工程相继出现。此后欧洲包括英国、荷兰在内的各国相继成立河流修护中心展开河流修复工作。借鉴于欧洲河流修复经验，日本在20世纪90年代也开始大量投入河流修复研究［6］。中国近年来也逐渐重视河流的修复工作，并开展了一些重大示范工程，包括浙江省海宁市辛江塘河道整治工程、深圳市田下河和观澜河生态修复工程及重庆市苦溪河生态修复工程等［4，7］。

根据传统观念，河流健康应是河流自然功能和社会功能均衡发展情况下的自然状态表现，河流健康至少涵盖河流自然属性的水文、物理结构完整性、生态系统完整性以及社会功能完整性3大方面［6］。河流自然属性完整性主要是指河流水量充足，水质优良，水流和结构稳定；生态系统完整性指河流生态系统具有足够的抵抗力和稳定性以维持优良生物物种的完整和生态环境；社会服务功能完整性则指水体的各项社会服务功能都能可持续地满足人类需求。一方面人类修复作用修复了河流的形态多样性和水文条件，改善了河流物理结构，例如修复主河槽和洪泛区联通有利于河流行洪，进而提高了河流形态的稳定［8］；另一方面，人类修复作用还可以改善河流的生态系统，实现河流社会服务功能的持续性，例如对于河流的污水治理、鱼类等水生动植物人工投养等［9-10］。因此，在河流的健康评价时应考虑人类对于河流的修复作用，这种情况下河流健康定义应改进为：河流的系统组成、结构完整、功能完备，具有维持自身和更新的能力，并能在人类保护与持续修复下，发挥正常的生态环境效益和满足人类社会发展的合理需求。根据上述定义，人类作为生态系统一部分，其对于河流的修复作用也应视为河流系统健康的一种恢复和保持能力而纳入健康评价范畴。同时河流的健康发展是一个动态的过程［3］，现阶段人类的修复作用直接促进河流今后的健康发展，并且这种促进作用所改善的河流特征属性在时间上滞后于现阶段河流特征属性，具有后效性。

本文基于“原有评价体系下健康评价值相同的河流，在有无人类对它进行修复以及修复强度不同时，其健康状态应视为不同”这一思想，在考虑人类修复作用下，提出一种新的评价思路，并应用于赣江南昌段河流健康评价，以期为河流健康评价提供新的理论和技术支持。

2 河流健康评价指标体系建立及权重确定

人类修复作用可以概括为，通过对河流生态系统有计划改造及建设活动直接恢复河流本体，提高河流生态系统的服务功能并且从优化经济发展模式、调整社会经济发展结构及对河流生态系统其它要素的利用方式着手，控制人类对河流的干扰源与干扰强度［5］。人类对河流的修复有利于河流各方面的改善，但作为人类的一种投入，其与河流的社会服务功能紧密相关，因此本文尝试将人类对河流修复作用概化为具有社会服务功能属性的一项新的评价指标。需要说明的是，本文研究的人类修复是指人类有计划、有理论指导的主动改善河流健康的一系列活动和工程［11］。在确定这一项指标时，可以参考河流修复经验，根据所研究河流改善的属性指标来估算河流修复作用这一指标评价值。

参考借鉴国内外河流健康评价指标体系，综合我国长江、黄河及珠江等河流委员会给出的评价指标［1，12-16］，采用A、B、C三层层次分析结构，从河流水文及物理结构完整性评价、生态系统完整性评价和社会服务功能完整性评价三方面构建基于“优”、“良”、“中”、“差”、“劣”5个健康等级的河流健康评价指标体系。其中A层为目标层，代表河流总体健康状态；B层为准则层，代表河流水文及物理结构、生态系统和社会服务功能三方面完整性状态；C层为指标层，即包含人类修复作用这一指标在内的河流18个常用评价指标，其中18个常用指标借鉴文献［16］的指标筛选方法从初拟的36个指标中筛选而来。

近十年来随着人类破坏作用的加大，赣江的健康问题也更加突显，以政府联合科研机构一起展开的对赣江大规模有计划修复工程相继实施。本文选择人类修复作用效果较为明显、信息获取较为完善的赣江南昌段河流进行评价研究，根据所建立的河流评价指标体系，参考赣江南昌段河流现有相关资料［17-21］以及借鉴文献［21］提供的数据资料对赣江南昌段河流进行健康评价，其河流指标体系及指标评价值见表1。

表1 赣江南昌段河流健康评价指标体系及指标评价值

赣江南昌段从2010年起逐步加大了河流的整治和修复工作，包括河道整治、污水治理、鱼类投放、水土保持、生态修复等，通过这几年的修复工作，赣江南昌段不仅水质达到了引用水标准，河道、河岸也已从过去的任意采砂破坏中逐渐得到了恢复，一些濒临灭绝的物种也开始了正常繁衍［17］。通过查阅江西环境保护厅、水文信息网、水利厅网站资料以及江西水资源质量公报［17］，得到赣江南昌段近几年开展的修复工作及对河流改善状况见表2。

表2 赣江南昌段2010—2014年河流修复及其对赣江指标改善统计

由表2可以看出近几年赣江南昌段河流保护、修复和整治力度较大，考虑到2010年以前修复作用相对于2010年以后较小，并且资料缺乏量化困难，本文仅以2010年以后的修复作用为例进行分析研究。目前人类修复作用指标C37还缺少科学的量化方法，为了便于研究，也为了突出人类修复对于河流健康的重要性，本文参考其余17指标确定方法，同时调查国内河流修复改善情况，以能明显改善的河流指标数目为标准和依据，初步给出C37的量化方案见表3。

表3 赣江南昌段河流修复作用指标的确定

根据表2及参考文献［17-20］和相关互联网站所获得的资料，确定出赣江南昌段河流2010—2014年在修复作用下有包括河床稳定在内的10个指标得到了较为明显改善，结合表3可以确定C37值为4.5。

在表1给出指标基础上，利用层次分析法［22-23］构造判断矩阵对考虑人类修复作用下的18个指标和不考虑时的17个指标进行权重分析。指标权重分析结果见表4。考虑到水文及物理结构、生态系统及社会服务功能三方面属性对现阶段赣江南昌段河流同等重要，准则层B层水文及物理结构完整性、生态系统完整性及社会服务功能完整性三方面对于A层的权重都取为1/3。

表4 B-C权重判断矩阵及计算结果

3 考虑人类修复作用下的河流健康评价

3.1 河流健康评价方法本文引入模糊集对分析理论对河流进行健康评价［24-27］，将河流指标实际评价值隶属度集合与标准等级取值集合进行集对分析，计算指标健康等级联系度或联系数，以此确定河流总体健康水平。

指标对于各评价等级隶属度取值xi组成集合Ai，指标对应等级标准赋值集合为Pk，Ai与构成集对，其中i取值为1，2，…，n，n为评价指标个数，K为评价等级数，本文K=5。这样Ai与Pk联系度计算公式［24］为，

其中系数a，bI，…，bk-2，c表示指标xi对于k级标准及与k级相差1，2，…，k-1级标准的模糊隶属度。采用线性插值的方法计算，设有指标样本X() x1，x2，…，xn，对其中一个指标x1，其评价标准集合为，其中s1＜s2＜…＜sn，那么指标x1隶属度计算公式为：

其中f() x1，si表示x1对于评价等级si的隶属度。

根据式（1）、式（2）可以依次求出各个指标的集对联系度，再根据各指标的权重依次往上推求准则层和目标层的集对联系度。

以本文河流健康评价为例，不失一般性，考虑目标层A，准则层B，指标层C，对应于1级标准P1的联系度。其中指标层C中每个指标与P1的联系度都可以利用式（1）、式（2）计算出，而准则层B与1级标准P1的联系度由式（3）给出，

其中i=1，2，…17，l=1，2，3，m为B层第l个评价类Bl对应的指标个数，wli为第l个准则评价类Bl第i个指标Cli对于Bl的权重，ali等表示第l个准则评价类Bl第i个指标Cli对应的集对联系度分量。同样可以计算目标层A与1级标准P1的联系度见式（4），

其中wl表示准则层Bl对于目标层A的权重，al等表示第l个准则评价类Bl对应的集对联系度分量，fk表示的是A层隶属于k级标准的隶属度，k=1，2，3，4，5。

得到了A与1级标准（“优5”）P1的联系度表达式后，依据置信度准则判定［27］方法确定所评价河流的健康等级。A的评价等级由式（5）来判定，

表达式（5）表示：前k个隶属度值之和() f1+f2+…fk大于λ，而k-1个隶属度值之和() f1+f2+…fk-1小于λ时，评价等级为k级。其中λ为置信度，一般取值为0.5～0.7，过大偏保守，过小偏风险，取0.5。

3.2 人类修复作用下赣江南昌段河流健康评价根据模糊集对原理，首先将指标实际取值与设定的指标等级取值集合构成集对，再依据式（1）、式（2）分别计算各评价指标与1级评价标准构成的集合P1集对的联系度分量，计算结果见表5。

再由式（2）计算得到准则层的联系度分量见表5（表中合计行），从表5中可以看出赣江南昌段水文及物理结构完整性为“中”、生态系统完整性及社会服务功能健康状态皆为“良”。分析可知，水文及物理结构完整性相对较差，主要由该段河流采砂严重造成河道局部破坏所引起。而近年来政府对于采砂的禁止措施与河道修复措施确实改善了这种状态，这种改善在评价时由C37指标得到了体现。

表5 赣江南昌段模糊集对评价结果

由式（4）计算得到赣江南昌段河流健康评价集对联系度表达式（联系度分量见表5总合计行），

最后由式（5），可以计算得到h2=0.5427＞λ=0.5，h1=0.1327，可知所评价的赣江南昌段河流在考虑人类修复作用下的健康程度为2级，即健康状态为“良”。

同样对不考虑修复作用时的河流健康进行评价计算，将结果与考虑人类修复作用下进行对比，见表6。

表6 有无人类修复作用赣江南昌段河流评价

从表6中可以看出两者的评价计算结果基本相同，但考虑人类修复作用下，河流健康状态对于“优”和“良”这两级标准的整体隶属度较不考虑情况下大，对于“差”甚至“劣”状态的隶属度则更小。事实上，可以由差异不确定分量系数来确定河流健康对于“优”的隶属情况。按均分区间［-1，1］方式选取［27］I1=0.5，I2=0，I3=-0.5，根据表6和式（4）分别计算考虑与不考虑人类修复作用下μA-P1为0.166 6和0.144 1。可以看出，评价时若考虑人类修复作用，赣江南昌段河流健康对于“优”状态的隶属度值至少增加了0.02（相对值为15.6%），所评价的健康水平有一定提高，评价结果肯定了人类的修复作用价值，对河流动态健康状态有了更确切的把握。

4 结论

河流发展是一个动态过程，现阶段人类对河流的作用直接影响其今后的健康趋势，从而影响河流健康状态。本文从动态角度，对考虑人类修复作用下赣江南昌段河流健康进行了评价，并将评价结果与不考虑人类修复作用情况进行了对比。虽然有无人类修复作用下赣江南昌段河流健康状态评价结果都为“良”，但考虑修复作用时河流健康评价值有一定提高，其健康水平更接近于“优”。

人类对河流的修复作用不仅可以提高河流的社会服务功能，而且可以改善河流物理结构和生态系统完整性。本文将人类修复作用概化为河流社会服务功能属性中的一个评价指标，并依据其对河流的改善作用进行量化，一方面对于河流健康评价以及人类修复作用的实施与投入具有指导意义，另一方面其合理性也可结合环境价值［28］进行深一步探讨。人类修复作用在河流健康评价体系中的具体作用及修复作用下的指标量化理论也有待进一步研究。

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（责任编辑：韩昆）

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《中国水利水电科学研究院学报》编辑部

Evaluation of river health considering human restoration role

WANG Jiabiao，LEI Xiaohui
（State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，IWHR，Beijing100038，China）

River restoration is an important way for human to protect river health.As an artificial measure，it can eliminate or reduce disturbance and improve the river characteristics in terms of hydrology and ecolo⁃gy，which can sustain and promote the healthy development of river.In order to quantify the influence of human restoration and find a new theoretical or technical support for river restoration and health evalua⁃tion，the human restoration to river was generalized to a new evaluation index in this paper.The fuzzy set pair analysis method was employed for the health comparative evaluation of Nanchang Section of the Ganji⁃angRiver.TheresultsshowedthatthepresenthealthofNanchangSectionofGanjiangRiverwasin“good”status.When considering the human restoration，the health status had been improved to some ex⁃tent，which was closer to the“excellent”status.

river health evaluation；human restoration；index；weight；fuzzy set pair

X826

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.02.010

1672-3031（2015）02-0143-07

2014-07-30

国家自然科学基金资助项目（51409282）；国家科技重大专项项目（2012ZX07205）

王家彪（1990-），男，江西人，硕士生，主要从事水文学及水资源研究。E-mail：waterwhu@foxmail.com.